Исследователи из молодежной лаборатории «Водорослевые биотехнологии» Тамбовского государственного университета имени Г.Р. Державина обнаружили неожиданный эффект наночастиц оксида цинка (ZnO) на пресноводные микроскопические водоросли. Оказалось, что в малых концентрациях они не только безопасны, но и способны компенсировать вредное воздействие засоления воды, выступая как «защитник» от стресса. Однако при высоких концентрациях те же частицы проявляют токсичность. Это открывает новые перспективы для безопасного использования наночастиц оксида цинка в биотехнологиях. Работа, поддержанная программой «Молодежные лаборатории» Министерства науки и высшего образования Российской Федерации, опубликована в высокорейтинговом научном журнале International Journal of Molecular Sciences.
Наночастицы оксида цинка – один из самых массово производимых наноматериалов в мире. Они используются в солнцезащитных кремах, электронике, красках и удобрениях, что неизбежно ведет к их попаданию в окружающую среду, включая водоемы. Одновременно пресные водоемы по всему миру страдают от засоления из-за деятельности человека (сброс сточных вод, использование реагентов зимой, сельскохозяйственные стоки). Ранее ученые изучали, как эти два фактора – наночастицы и соленость – вместе влияют на морские организмы, но их воздействие на пресноводные экосистемы оставалось почти неизученным.
Ученые из ТГУ исследовали влияние наночастиц оксида цинка разного размера на пресноводную микрводоросль Lobosphaera при различной солености воды. Оказалось, что низкая концентрация наночастиц не только не навредила водорослям, но и стимулировала их рост на 19%. Более того, в такой дозе наночастицы полностью нейтрализовали негативный эффект солевого стресса, вызванного добавлением соли. У водорослей повысилась активность фотосинтеза и активировалась антиоксидантная система, что помогло им справиться с стрессом.
Однако высокие концентрации наночастиц подавляли рост водорослей, разрушали хлорофилл, снижали эффективность фотосинтеза и вызывали окислительный стресс. При этом интересно, что наличие в среде соли почти не усиливало токсический эффект.Ранее считалось, что главная причина токсичности наночастиц оксида цинка – это высвобождение ионов цинка (Zn²⁺), избыток которыхтоксичендля клетки. Однако данное исследование опровергает эту версию.
– Мы измерили концентрацию ионов цинка в растворе и обнаружили, что она крайне мала и практически одинакова для всех вариантов опыта, – поясняет научный руководитель молодежной лаборатории Александр Гусев. – При этом токсический эффект нарастал строго в зависимости от концентрации самих частиц. Наши данные указывают на то, что основной механизм токсичности – это прямое взаимодействие наночастиц с поверхностью клетки, а не растворенные ионы цинка. Это принципиально важно для понимания профиля экологической токсичности данных частиц.
Эту гипотезу подтвердили электронные микрофотографии, показавшие скопление наночастиц на поверхности клеток водорослей, и прямой подсчет клеток с окислительным стрессом.
Открытие разнонаправленного эффекта наночастиц оксида цинка открывает новые возможности для биотехнологий. Сверхмалые, «стимулирующие» дозы наночастицZnO можно использовать для повышения устойчивости полезных микроводорослей к стрессовым условиям в биореакторах, например, при культивировании для получения биотоплива, кормовых добавок или биологически активных веществ. Если этот эффект подтвердится и для растений, наночастицы в низких концентрациях потенциально могут стать основой для новых препаратов, помогающих сельскохозяйственным культурам легче переносить засоление почв. Также результаты работы важны для точной оценки экологических рисков наноматериалов и разработки новых нормативов их безопасного содержания в окружающей среде.
– Наша работа – это пример того, как фундаментальное исследование может привести к практически значимым выводам, – отмечает Александр Гусев. – Мы не только лучше понимаем, как наноматериалы взаимодействуют с живыми системами, но и видим потенциал для управления их свойствами на благо человека.
